馬志鵬,王 森,李善綜,鄒華志
(1. 珠江水利科學研究院,廣州 510611;2. 水利部珠江河口動力學及伴生過程調(diào)控重點實驗室,廣州 510611; 3. 水利部珠江水利委員會技術(shù)咨詢中心,廣州 510611)
珠江按年徑流量為我國第2大河流,流域受大氣環(huán)流、地形、臺風等影響,汛期降雨量多、持續(xù)時間長,且眾多的支流呈扇狀分布,洪水易同時匯集到干流形成大洪水,導致區(qū)域洪澇災害頻發(fā),嚴重制約了區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。近年來,隨著流域梯級水利樞紐以及沿岸堤防工程的大規(guī)模開發(fā)與建設,逐步形成了“堤庫結(jié)合、以泄為主、泄蓄兼施”的防洪工程體系[2],在抵御特大洪水、降低洪災方面發(fā)揮了重要作用。但是,隨著流域社會經(jīng)濟發(fā)展、區(qū)域極端氣候頻發(fā)等形勢變化[3],區(qū)域防洪安全保障仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn),主要體現(xiàn)在:①流域洪水復雜多變,西江主要支流有北盤江、柳江、郁江、桂江、賀江等,干支流洪水遭遇組成復雜,洪水類型多(按時間可分為主汛期和后汛期,按空間可分為中上游型、中下游型、全流域型)且存在互相轉(zhuǎn)變的可能;②流域控制性工程防洪能力有限且空間分布不均勻,現(xiàn)狀干流防洪工程庫容僅占規(guī)劃的55%,而且已建的防洪控制性水庫龍灘位于上游,中下游無控制性工程進行調(diào)控;③骨干水庫龍灘原調(diào)度規(guī)則為20世紀80年代設計,調(diào)度規(guī)則中未考慮洪水預報因素,同時近年來流域水文情勢發(fā)生較大變化[4-6],原調(diào)度規(guī)則適應性還有待強化。因此,如何科學、合理地利用優(yōu)化技術(shù)手段提高流域防洪能力,是亟待研究和解決的關鍵科學問題。
針對上述流域防洪調(diào)度存在的問題,考慮到流域防洪控制性工程龍灘水庫調(diào)度規(guī)則精細化程度不足的缺點,從調(diào)度可操作性和實用性出發(fā),本文將不同量級的龍灘及控制斷面梧州的預報流量信息納入調(diào)度規(guī)則中作為判別條件,構(gòu)建自識別控泄方式,擬定了包含預報變量和控泄變量的分類洪水調(diào)度規(guī)則一般形式;以梧州斷面場次洪水集加權(quán)平均削峰最大為優(yōu)化目標,將預報變量和控泄變量進行離散組合,通過不同類型場次洪水集模擬調(diào)度,選取最優(yōu)變量組合,形成分類洪水調(diào)度規(guī)則。實例研究表明,優(yōu)化的分類洪水防洪調(diào)度規(guī)則能有效適應不同類型洪水,調(diào)洪效果顯著。
考慮到流域洪水類型按時空分布特點可分為主汛期中上游型、主汛期中下游型、主汛期全流域型、后汛期中上游型、后汛期中下游型以及后汛期全流域型6類,在流域防洪控制性工程龍灘水庫原調(diào)度規(guī)則的基礎上,納入不同量級的預報流量和控泄流量提高調(diào)度規(guī)則的精細程度,并針對每類型洪水擬定表現(xiàn)形式相同的調(diào)度規(guī)則。
(1)龍灘原調(diào)度規(guī)則。龍灘水庫現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則主要以梧州斷面實測流量作為控泄的判別條件,在7月15日前保持50 億m3的防洪庫容,7月15日以后可以回蓄,但在8月仍預留30 億m3的防洪庫容;當龍灘水庫蓄滿庫容時,龍灘水庫按入庫流量泄水?,F(xiàn)狀防洪調(diào)度規(guī)則見表1。
表1 龍灘水庫現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則 m3/s
(2)分類洪水調(diào)度規(guī)則一般形式。根據(jù)現(xiàn)有預報技術(shù)的精度和預見期,結(jié)合人工實踐經(jīng)驗,調(diào)度規(guī)則的優(yōu)化考慮3 d內(nèi)的梧州和龍灘的洪水預報,并重點對漲水期進行識別調(diào)度。擬定的分類洪水調(diào)度規(guī)則一般形式見表2。
針對擬定的分類洪水調(diào)度規(guī)則的一般形式,將調(diào)度規(guī)則中作為判別條件的預報信息以及控泄信息構(gòu)造為約束條件,構(gòu)建自識別防洪調(diào)度模型,并以梧州斷面場次洪水集模擬調(diào)度的加權(quán)平均削峰最大為優(yōu)化目標。
表2 龍灘水庫分類洪水調(diào)度規(guī)則一般形式 m3/s
1.2.1 優(yōu)化目標
(1)
1.2.2 約束條件
水量平衡:
(2)
水位約束:
(3)
自識別控泄約束:
(4)
馬斯京根演進約束:
(5)
非負條件約束:上述所有變量均為非負變量(≥0)。
(2)初設α=1;其中α∈(1,2,…,6);β=1,其中β∈(1,2,…,6γ)。
(4)若β=6γ,則進入步驟(5),否則,設置β=β+1,返回步驟(3)。
(6)若α=6,則計算結(jié)束,否則,設置α=α+1、β=1,返回步驟(3)。
優(yōu)化流程見圖1。
圖1 分類洪水調(diào)度規(guī)則優(yōu)化流程Fig.1 The flow chart of the optimal process of the classified flood control rules
表3 分類洪水調(diào)度規(guī)則優(yōu)化參數(shù) m3/s
采用流域“49.7”、“88.9”、“94.6”、“98.6”、“05.6”等典型大洪水對龍灘分類洪水調(diào)度規(guī)則進行檢驗。典型洪水調(diào)洪效果見表4,調(diào)度過程見圖2~圖6。
表4 典型洪水調(diào)洪效果 m3/s
圖2 “49.7”洪水200 a一遇調(diào)度過程Fig.2 The operation process of “49.7” flood (frequency:0.5%)
圖3 “88.9”典型洪水調(diào)度過程Fig.3 The operation process of “88.9” typical flood
圖4 “94.6”洪水200 a一遇調(diào)度過程Fig.4 The operation process of “94.6” flood (frequency:0.5%)
圖5 “98.6”洪水200 a一遇調(diào)度過程Fig.5 The operation process of “98.6” flood (frequency:0.5%)
圖6 “05.6”洪水200 a一遇調(diào)度過程Fig.6 The operation process of “05.6” flood (frequency:0.5%)
根據(jù)表4計算結(jié)果統(tǒng)計,與原調(diào)度規(guī)則相比:對中上游型洪水的削峰值的影響范圍為-300~800 m3/s,對全流域洪水削峰值增加約400 m3/s,對中下游型洪水削峰增加約1 200 m3/s。因此,分類洪水調(diào)度規(guī)則對全流域型洪水、中下游型洪水普遍改善,而對于中上游型以改善為主,但也存在削峰降低的可能,主要受限于龍灘的防洪庫容,存在提前用完庫容的可能。
從圖2~圖6中可以看到,調(diào)度過程中根據(jù)自識別策略逐時段調(diào)整洪水控泄方式,實現(xiàn)調(diào)度決策的動態(tài)自識別。對于“49.7”200年一遇洪水,自識別策略準確判斷出中上游型洪水,與原方案基本保持一致,但由于龍灘防洪庫容有限,在龍灘斷面洪水尚未完全退去的情況下提前用完防洪庫容,梧州斷面削峰4 700 m3/s。而對于“88.9”典型洪水,與原方案相比,自識別策略將防洪庫容主要用于攔蓄洪峰洪量,削峰改善明顯,但隨著洪水量級增大,從第1入庫洪峰開始攔蓄洪水,提前動用了有限的防洪庫容。因此,對中上游型洪水的調(diào)洪效果受制于防洪庫容的大小。對于“94.6”200 a一遇洪水,自識別策略下梧州斷面削峰4 100 m3/s,比原規(guī)則增加了削峰400 m3/s,同時,由于自識別策略還考慮了龍灘斷面的入庫流量,對雙峰型洪水(見圖4中虛線圈所示)也進行了控泄,充分利用了龍灘防洪庫容。對于“98.6”200 a一遇洪水,原調(diào)度方案梧州斷面只削峰200 m3/s,通過分類洪水規(guī)則,龍灘控泄2 000 m3/s,梧州斷面削峰1 400 m3/s,大幅提高了削峰量,而對于“05.6”200 a一遇洪水,調(diào)洪效果同樣非常顯著。
隨著流域防洪安全需求越來越強烈,在流域防洪能力有限的情況下,如何挖掘防洪潛力以實現(xiàn)防洪保安,一直是雨洪資源化利用領域的熱點問題。本次研究針對流域洪水類型復雜、現(xiàn)狀防洪能力有限等調(diào)度難點,以提高流域防洪能力為目標,建立了自識別防洪調(diào)度模型,優(yōu)化了骨干水庫分類洪水防洪調(diào)度規(guī)則。實例研究表明,該調(diào)度規(guī)則對中上游型洪水以改善為主,不同程度地改善了全流域型、中下游型洪水的調(diào)洪效果,具有較強的實用性強和可操作性。
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